مقاله ای از حمید رقمی/ کاغذ با پوششی ضد آب که وابستگی به مواد مصنوعی را کاهش می دهد

بسپار/ایران پلیمر همانگونه که در تصویر مشاهده می شود یک مدل (جرثقیل) اوریگامی* از کاغذِ پوشش داده شده  با « چوئتسو» (Choetsu )( طرف چپ) و فاقد پوشش ( طرف راست) در آب فرو برده میشود و مشاهده می گردد که اوریگامی پوشش داده شده، فرم خود را حفظ کرده، درحالیکه نوع پوشش داده نشده،  فرم و ساختارش از هم می پاشد.
* “اوریگامی”(Origami) یا “کاغذ تا شده” عبارت است از استفاده از( هنر) تا کردن کاغذ و فرم دادن آن  برای به وجود آوردن اشکال و اشیاء مختلف تزیینی و…
پلاستیک ها معمولاً آسیب های جدی به محیط زیست وارد می کنند و این دیگر نیاز به روشنگری ندارد. شما نیز حتماً تا کنون تصاویری از آلودگی های ناشی از وجود پلاستیک ها در سواحل دریا ها را مشاهده کرده اید، همچنین رودخانه هائی را دیده اید که حجم بزرگی از انواع پلاستیک ها  به همراه آب در جریان است دارد و بالاخره اینکه  احتمالاً حیوانات تلف شده ای  را نیز دیده اید که پس از تلف شدن مقدار زیادی ” مواد پلاستیکی ” در بدنشان، بخصوص در دستگاه گوارش آن ها ” ذخیره ” شده است.
مواد مصنوعی یا پلیمرهای آلی که کاربرد اصطلاح “پلاستیک” برای آن ها بسیار متداول است، در حال حاضر به یک معضل اساسی برای  انسان و محیط زیست تبدیل شده اند و به همین علت همزمان تحقیقات عمیق و دامنه داری برای کاهش استفاده از آن ها در جریان است. در این ارتباط محققان  ژاپنی برای اولین بار  راهی پیدا کردند که برخی از ویژگی های مفید انواع مواد مصنوعی را به  کاغذ – محصولاتی تجدید پذیر- منتقل کنند، آن هم بصورت  نسبتاً آسان، چند منظوره و مقرون به صرفه اقتصادی.
پروفسور زِنجی هیروئی (Zenji Hiroi ) از انستیتو فیزیک حالت جامد (Institute of Solid State Physics ) در دانشگاه
توکیو  و تیم همکاران  او کارهای تحقیقاتی وسیعی روی این ایده انجام دادند که چگونه می توان پلاستیک را با ماده ای تجدید پذیر مانند کاغذ – حد اقل برای بسیاری از کاربردها- جایگزین کرد.
نام برده در این زمینه  بیان می دارد که ” به عقیده من مسئله اصلی در مورد مواد مصنوعی، تجزیه ناپذیری سریع آن ها در محیط زیست است. در مقابل موادی وجود دارند که بطور قطع تجزیه پذیر هستند مانند کاغذ، اگر چه کاغذ بطور عام تمام قابلیت ها  و توانائی های مواد مصنوعی برای طیف وسیعی از کاربرد ها را ندارد، ولی ما راهی پیدا کردیم که بخش مهمی از قابلیت های مفید مواد مصنوعی ( پلاستیک ها) را به آن منتقل کنیم، بدون اینکه مجبور باشیم نقاط ضعف آن ها را هم منتقل نمائیم. ما این ماده را « چوئتسو» (Choetsu) نام گذاری کردیم ، پوششی به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه که می تواند کاغذ را ضد آب، با ثبات، با انعطاف پذیری قابل قبول و…کند” ، به گفته وی ” « چوئتسو» (Choetsu ) مجموعه ای از مواد است که زمانی که بصورت یک پوشش روی کاغذ نشانده می شود، نسبتاً سریع یک فیلم مستحکم و نفوذ ناپذیر برای آب و رطوبت تشکیل می دهد و مهمتر اینکه رطوبت موجود در فضا بطور معمول برای پیشبرد این مکانیزم، کفایت می کند. اجزاء اصلی این پوشش مواد شیمیائی– به لحاظ اقتصادی- نسبتاً مناسب می باشند. ماده اصلی تشکیل دهنده این پوشش متیل تری مت اُکسی سیلان (Methyltrimethoxysilan ) است که به آن مقداری ایزو پروپیل الکل و مقدار کمی هم تترا ایزوپروپیل تیتانات (Tetraisopropyltitanat ) افزوده شده است. ساختار هائی از جنس کاغذ مانند ظروف نگهداری مواد غذائی، با مخلوط ( مایع) ذکر شده از طریق پاشش یا غوطه ورسازی، پوشش داده شده  و در دمای محیط خشک می شوند. پس از خشک شدن ، یک لایه روی سلولز که کاغذ از آن تشکیل شده است، می نشیند، لایه بسیار نازکی از جنس سیلیسیم دی اکسید که به نوعی گروه های متیل از ایزوپروپانل موجود در مخلوط، به آن متصل است. بطور خلاصه می توان گفت که یک لایه متیل سیلان ِ سخت شده با ویژگی مهم  نفوذ ناپذیری در مقابل آب، ایجاد می گردد.”
در همین ارتباط باید اشاره شود که به علت وجود ترکیب« تیتانات» در مخلوط، در طول پروسه خشک شدن پوشش، یک لایه نازک سیلیسیوم دی اکسید که در آن نانو پارتیکل های از تیتان دی اکسید (از نوع آناتاس)  پخش شده است، قادر است اثرات آنتی میکروبی داشته و باکتری ها را از پای درآورد ( تصویر )

این ویژگی  ناشی از مکانیزم فتوکاتالیستی تیتان دی اکسید است که عامل حفاظتِ ” آنتی میکروبی” پوشش می باشد.
لازم به ذکر است که کلیه اجزاء تشکیل دهنده پوشش در نهایت به موادی بی خطر مانند کربن، آب و سیلیسیم دی اکسید – مشابه ماسه- تبدیل می گردند.
جزئیات بیشتر از “تیتان دی اکسید و فتو کاتالیز” در انتهای بخش خبری مقاله
به گفته پروفسور زِنجی هیروئی (Zenji Hiroi ) ” چالش های متعدد مرتبط با تکنولوژی پروژه هم اکنون با نتایج بسیار خوب  پشت سر گذاشته شده اند و بزودی کاربردی خواهند شد، بخصوص در استفاده از آن در نگهداری و بسته بندی های مواد خوراکی”. وی همچنین امیدوار است که ” در آینده بتوان از ویژگی آنتی باکتِریالی محصول در پوشش دادن مواد غیر کاغذی مانند شیشه ، سرامیک و حتی برخی از مواد مصنوعی( پلاستیک ها)، نیز استفاده کرد.” وی در خاتمه عنوان می دارد که ” با عملیاتی و کاربردی شدن این پروژه، محقق همکار من Yoko Iwamiya که مدت مدیدی روی این پروژه فعال بوده است و سایر همکاران من امیدوارند که در آینده گامی موثر برای دنیا برداشته شده باشد.”
تيتان دي اكسيد وفتوکاتالیز
(از کتاب “پیگمنت ها و مواد پرکننده”  از نگارنده وبلاگ)
تيتان دي اكسيد به عنوان پيگمنت سفيد قدمتي بیش از يكصد سال دارد. اين “اكسيد سفيد” نه تنها به لحاظ سفيدی و “سفید كنندگي” از همه مشابه هاي خود مانند زينك سولفيد، سرب‌كربنات (بازيك)، ليتوپن و … برتر است ،  بلكه بخصوص نوع “نامرغوب” آن- از نظرعدد شكست- يعني مديفيكاسيون آناتاس قادر است نوررا از منطقه فرابنفش (UV ) جذب كرده و… و باقي قضايا!
فتوكاتاليزچيست ومكانيزم آن چگونه است ؟
فتوكاتاليز در مجموع به واكنش هایی گفته مي شود كه عامل موثر در انجام و پيشبرد آن ها انرژي به صورت نور بوده و به كمك كاتاليزور (كاتاليزاتور) ها تسريع مي شود. اين واكنش ها بر مبناي بخش فعال شده توسط نور به دوگروه تقسيم مي شود .يكبار وقتي ملكول اصلي(پايه) توسط نور تحريك مي‌گرددكه در اين حالت ما با يك واكنش از نوع واكنش نوري كاتاليز شده مواجه هستيم و بار ديگر زماني است كه كاتاليزور از طريق نور فعال مي شود.تيتان دي اكسيد – به عنوان يك نيمه هادي فعال در مقابل نور (Photoactive)- حدوداً 90% (و بيشتر) از نور مرئي را منعكس و بخش كوچكي  از آن و كل تابش از نوع UV نزديك‌ را جذب مي‌كند. از اين ميان جذب نوع روتيل در 415و جذب نوع آناتاس در 380 نانومتر است.
وقتي نور به تيتان دي اكسيد مي تابد ، انرژي جذب شده باعث تحرك يا برانگيختگي الكترون ها شده وآن ها از باندوالنس يا ظرفيت(كامل نشده) به باند انرژي بالاتر يا باند هدايت (اشغال نشده) منتقل مي شود. حد فاصل باند هاي مذكور در نوع روتیل برابر با3,0 eV و متناسب با 415 و در نوع آناتاس برابر با 3,2 eV  است كه متناسب با حدود 380 نانومتر مي باشد،

چگونگی ایجاد رادیکال های هیدروکسیل و پِراُکسی

پس از ترك يك الكترون‌‌ از باند والنس به باند هدايت،”جاي خالي” آن در باند والنس (حفره الكترون) بجا مانده ‌و اين “حفره”خود بسيار فعال است. اين ويژگي تيتان دي اكسيد كه حدوداً 50 سال پيش شناسائي شد، عامل تعیين کننده برای
“نور فعالي” (یا فعال درمقابل نور) آن است، زیرا كه به ايجادراديكال هائي از نوع هيدروكسيل‌ و پر اُكسي راديكال منتهي مي گردد،  راديكالهائي كه بسيار فعال و”پرجنب و جوش”بوده و با هر نوع مواد شيميائي آلي كه درمسيرشان قرار بگيرد، تركيب شده و آنها را تجزيه، تخريب و نهايتاً به مواد كم خطر و بي خطر مانند گاز كربنيك و آب تبديل مي‌كند.
منابعی برای بخش خبری مقاله :
Starre wasserdichte … für Papier soll Abhängigkeit von Kunststoffen verringern

chemie.de

https://www.chemie.de/news/1176105/papier-oder-plastik.html
Papier oder Plastik/ 17.05.2022 – University of Tokyo

 

وبلاگ علوم و تکنولوژی رنگ